Armonicos - Apuntes 1-50

XIV CONIMERA
Conferencia Técnica
PROCOBRE - PERU
Calidad De La Energía En
Instalaciones Eléctricas
De Baja Tensión
Contenido
PROCOBRE - PERU
Disturbios en el sistema
eléctrico
l Origen de los armónicos
l Efecto de los armónicos en el
sistema eléctrico
l Solución al problema de Los
armónicos
l Normas de referencia
l
PROCOBRE - PERU
l La
Introducción
energía eléctrica que reciben los
clientes
debe
cumplir
con
determinados requisitos que posibilite
el correcto empleo de los medios que
hacen uso de dicha energía y
garantice la seguridad de personas
así como la vida útil de equipos y
materiales involucrados.
PROCOBRE - PERU
¿Qué es un suministro de Energía
Eléctrica con Calidad?
Problema de calidad del
Suministro Eléctrico:
Cualquier problema
manifestado en la tensión y
la corriente o desviaciones
de frecuencia que
ocasionen una falla u
operación inadecuada de
equipo eléctrico
l
Un suministro eléctrico
de
alta
Calidad
se
entiende como aquel con
bajo nivel de disturbios
l
PROCOBRE - PERU
l
Introducción
La calidad de la energía eléctrica se establece
por cumplimiento de los límites indicados en
las normas por parte de todo los actores;
generadores, transmisores, distribuidores,
clientes e incluso por fabricantes de equipos.
PROCOBRE - PERU
Disturbios en el sistema
eléctrico
Introducción
Idealmente: la tensión de suministro debe
ser una onda senoidal perfecta con un valor
eficaz de 220V y una frecuencia firme de 60Hz
En la práctica: La tensión está sujeto a
fluctuaciones que dependen de:
• La impedancia del sistema, la cantidad y
clase de carga conectada al sistema
eléctrico.
• La explotación del sistema eléctrico
(Conexión desconexión de grandes bloques
de carga).
PROCOBRE - PERU
Cargas críticas y Sensibles
• Carga Crítica:
Aquella que al dejar de funcionar
ocasiona
grandes perjuicios económicos y/o
pone en riesgo la seguridad de las
• Carga sensible:
Aquella que requiere
personas.
una alimentación de
Ejemplo:
alta calidad, esto es,
• Suspensión de energía en el centro
de computo de un banco o
paralización de una línea de
producción textil es muy costoso.
•Mal funcionamiento del sistema de
diagnostico en un hospital puede ser
catastrófico
libre de disturbios.
PROCOBRE - PERU
Curva de tolerancias en baja tensión según CBEMA(Asociación
industrial
de negocio de equipos de computación);
Nota:Estos limites fueron definidos tomando en cuenta la sensibilidad de equipos eléctricos de
oficina.
PROCOBRE - PERU
Tipos de disturbios en la
tensión
Depresiones de tensión
Elevaciones de tensión
PROCOBRE - PERU
Depresiones De Tensión
(VOLTAGE SAGS) (8ms a 60s)
Causas típicas :
• Descargas atmosféricas
• Corto Circuito
• Arranque de cargas grandes.
Consecuencias:
•
•
Congelamiento o mal funcionamiento
de sistemas computacionales
Afectan a todo usuario de los circuitos
fallados y paralelos
PROCOBRE - PERU
Elevaciones de Tensión (swells)
Causas típicas:
•
Disminuciones repentinas de carga
•
Recuperaciones después de una
falla
•
Falla monofásica a tierra en sistemas
con neutro aislado
Consecuencias:
1.
2.
Mal funcionamiento de controles
eléctricos y de reguladores de
velocidad de motores que fallan
debido a sus circuitos de protección
internos;
Fatigas en componentes electrónicos
delicados de computadoras hasta el
punto de producir fallas prematuras.
PROCOBRE - PERU
Sub y Sobre tensiones
• Definición
Variaciones de tensión de larga duración( minutos, horas), La
magnitud rara veces supera los Swells o Sags
• Origen
Reducción deliberada para aliviar carga durante periodos de punta; o
uso equivocado de taps en transformadores.
• Consecuencias
- Fatigan computadoras, controladores electrónicos, motores y otras
cargas.
- Sub tensiones, Inconvenientes en capacitores instalados para
mantener niveles de tensión o minimizar pérdidas
- Sobretensiones, Reducen vida útil del aislamiento.
PROCOBRE - PERU
Sobre tensiones
Transitorias
•Tipos
Impulso: rayos y conexión /
desconexión de carga.
•Causas
• Descargas atmosféricas
• Energización de Capacitores
• Desconexión de motores grandes
• Aislamiento de fallas
Oscilatorio: conexión /
desconexión de capacitores.
•Consecuencias:
Ruptura del aislamiento de
los componentes eléctricos
PROCOBRE - PERU
Wave Notching (Ruido,
hendiduras)
• Consecuencias:
•Causa:
Es
producido
por
la
operación
normal
de
dispositivos electrónicos de
potencia, al obtener tensión
DC a partir de una
alimentación trifásica AC.
• La onda de voltaje cruza el cero más
de las 2 veces por ciclo que esperan
los diseñadores de componentes
electrónicos.
• Los relojes corren más rápido cerca
de una carga que la produce.
PROCOBRE - PERU
Wave Notching
(Ondas de tensión con hendiduras)
PROCOBRE - PERU
Desbalance
•Definición:
Situación en la que las tensiones de una porción de
la red trifásica no son idénticas en magnitud o la
diferencia de fases no es de 120° eléctricos o ambos.
•Origen:
Cargas monofásicas conectadas caóticamente en
redes trifásicas.
•Consecuencias:
Puede causar daños por recalentamiento; o torques
pulsantes en motores u otros dispositivos que
dependen de una fuente bien balanceada.
PROCOBRE - PERU
Caídas de Tensión
• Definición:
Reducción permanente de la tensión de alimentación o por ciclos diarios
coincidentes con las horas de máxima demanda.
• Origen:
Diseño o implementación defectuosos de las redes.
Obsolescencia / deterioro de instalaciones.
Falta de monitoreo y reforzamiento frecuente, acorde con el crecimiento de
la demanda.
Deficiencias en la operación de las instalaciones.
• Consecuencias:
Mal funcionamiento de artefactos, disminución del poder lumínico de
lámparas, recalentamiento de conductores y motores.
PROCOBRE - PERU
Tensión con distorsión
PROCOBRE - PERU
Tabla 2 IEEE 1159-1985
Categoría y
características de
fenómenos
electromagnéticos en
sistemas de potencia
PROCOBRE - PERU
Armónicas y
flicker
•Origen de las armónicas
•Efecto de las armónicas
•Medición de las armónicas
•Solución al problema
PROCOBRE - PERU
INTRODUCCIÓN
l
LAS CORRIENTES Y TENSIONES EN LAS REDES
ELÉCTRICAS NUNCA HAN SIDO EXACTAMENTE
SENOIDALES.
l
HASTA HACE UNOS AÑOS NO ERA FRECUENTE
ENCONTRARSE
EN LA PRÁCTICA CON
ALGÚN PROBLEMA ORIGINADO POR LA
DEFORMACIÓN DE DICHAS ONDAS O LO QUE
ES LO MISMO, POR LA PRESENCIA DE
ARMÓNICOS .
PROCOBRE - PERU
INTRODUCCIÓN
l
EL RESPONSABLE PRINCIPAL DE ESTA
DEFORMACIÓN ES EL DESARROLLO
ESPECTACULAR DE LA ELECTRÓNICA,
QUE HA GENERALIZADO EL USO DE
RECTIFICADORES,
TANTO
EN
APARATOS
DE
POTENCIA
(ACCIONAMIENTO
DE
CORRIENTE
CONTINUA,
VARIADORES
DE
FRECUENCIA)
COMO
EN
OTROS
PEQUEÑOS, PERO MUY NUMEROSOS
(ORDENADORES,TV)
PROCOBRE - PERU
Definiciones
l
DEFINICIÓN:
l
Ejemplo:
ARMÓNICOS DE POTENCIA SON
ONDAS DE CORRIENTE O TENSIÓN CUYA FRECUENCIA
SON MULTIPLOS ENTEROS DE LA FRECUENCIA
FUNDAMENTAL
Si la F= 60Hz el armónico de segundo
orden tendrá una frecuencia de 120Hz.
El tercer armónico 180Hz, etc.
PROCOBRE - PERU
Onda resultante deformada
Graph0
100.0
80.0
Onda fundamental
60.0
40.0
7mo
20.0
(V)
0.0
-20.0
-40.0
9na
5ta
-60.0
3ra
-80.0
-100.0
0.0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
t(s)
0.01
0.011
0.012
0.013
0.014
0.015
0.016
0.017
PROCOBRE - PERU
Teoría de Armónicos
Joseph FOURIER demostró que toda función periódica no
senoidal puede representarse por una suma de términos
senoidales donde el primer termino es la fundamental y los
otros, a la frecuencia múltiplo de la fundamental son los
armónicos.
n=∞
y(t ) = Yo + ∑ Yn 2sen(nω t + ϕ n )
n =1
Yo : Valor de la componente continua, generalmente nula para
sistemas de distribución.
Yn : Valor eficaz del armónico de orden n,
ω : Pulsación de la frecuencia fundamental,
ϕn : Desfasaje de la componente armónica n.
PROCOBRE - PERU
Adecuando para la tensión se tiene:
u (t ) = u 0 +
∞
∑u
n =1
n
2 sen ( n ω .t + ϕ n )
para la corriente:
∞
i ( t ) = i0 + ∑ i n
n =1
2 sen ( n ω .t + ϕ n )
PROCOBRE - PERU
Valor eficaz de una magnitud
alterna no senoidal
I rms
1
T
=
∫
T
0
i 2 dt
.....(a)
ó
V
rms
P = RI
1
T
=
2
rms
∫
T
0
1
=
T
v 2 dt
∫
T
0
Ri
2
dt
PROCOBRE - PERU
Valor eficaz de una magnitud
alterna senoidal
Si i = I m cos(wt + ö) corriente senoidal
I rms =
2ð
T=
w
1 T 2
2
I
cos
(wt + ö )dt ,
m
∫
0
T
I rms =
y
w × Im
Im
ð
=
×
=
2ð
w
2
Im
Vm
=
Vrms =
2
2
2
I rms
I rms
w.I m
2ð
2
∫
2ð
0
∫
2ð
0
w
w
ð
cos (wt + ö ) =
w
2
cos 2 (wt + ö)dt
PROCOBRE - PERU
Tasa de distorsión total de armónicos
(TDA) o (THD)
Define globalmente la deformación de la magnitud alterna.
CIGRE:
Factor de distorsión total
IEC 555555-1:
∞
DF (%)
Factor de distorsión: 0<DF<1
= 100
∑
Y n2
∑
Y n2
2
∞
1
NTCSE:
Factor de distorsión total de armónicos
THD = (
2
2
(
V
/
V
∑ i N )) •100%
i=2..40
PROCOBRE - PERU
Tasa de distorsión total de armónicos
(TDA) o (THD)
Estándar IEEE-519
1/ 2
 I

 x100%
THD = ∑ 
h = 2  I Ldemanda 
H
2
h
De la comparación se deduce que el THD según la
NTCSE es similar al empleado por CIGRE
PROCOBRE - PERU
Tasa individual de armónicos (An o Ih,Vh)
Esta magnitud representa la
razón del valor eficaz de un
armónico (Yn), respecto al valor
eficaz de la fundamental (Y1)
Espectro (de frecuencia)
Es la representación de la amplitud
de los armónicos en función de su
orden o rango; el valor de los
armónicos se suele expresar en
porcentaje de la fundamental
PROCOBRE - PERU
Factor de potencia y cos φ1
Cuando hay armónicos es importante no confundir estos dos
términos, que son iguales solamente cuando la corriente y
tensión son perfectamente senoidales.
Factor de potencia (λ) :
Es la razón entre la potencia activa y aparente
El factor de Desfasaje (cos φ1 ):
Se refiere a las magnitudes fundamentales
El cos φ1 o DFP (Desplazamiento del F.P. )
PROCOBRE - PERU
Factor de deformación
Según la IEC 146-1-1, es la razón entre el factor de potencia
y el cos φ1 , siempre es menor o igual a uno.
Factor de cresta (Fc)::
Es la razón del valor pico respecto al valor eficaz de una magnitud
periódica:
PROCOBRE - PERU
ORIGEN DE LAS ARMÓNICAS
l
Debido
a
que
hay
cargas
denominadas no lineales que toman
la corriente en forma de impulsos
bruscos en vez hacer en forma
sinusoidal, éstos impulsos crean
ondas
de corriente o tensión
distorsionadas que retornan a la red
sumándose a la onda fundamental.
PROCOBRE - PERU
TIPO DE CARGAS
• Cargas lineales
• Cargas no lineales
Ud
PROCOBRE - PERU
TIPO DE CARGAS
1. CARGAS LINEALES
PROCOBRE - PERU
CARGAS LINEALES
PROCOBRE - PERU
l
2. CARGAS NO LINEALES
La electrónica de potencia puso a
disposición de los hogares y las empresas
productivas diversos equipos capaces de
controlar el producto final: Iluminación
variable, velocidad ajustable, etc. Así
aproximadamente un 50% de la energía
eléctrica pasa por un dispositivo de
electrónica de potencia antes de ser
aprovechada .
PROCOBRE - PERU
2. CARGAS NO LINEALES
l
La electrónica de potencia hace uso de
diodos , transistores y tiristores; estos
dispositivos trabajan en el modo de
interrupción (swtching) que significa en dos
estados: CONDUCCIÓN Y BLOQUEO.
PROCOBRE - PERU
l
Modos de operación de las
Cargas No Lineales
ESTADO DE CONDUCCIÓN:
CONDUCCIÓN (interruptor
cerrado), la corriente puede alcanzar
valores elevados , pero la tensión es nulo y,
por tanto, la disipación de potencia es muy
pequeña.
PROCOBRE - PERU
l
Modos de operación de las
Cargas No Lineales
ESTADO DE
BLOQUEO:
BLOQUEO (interruptor
abierto). La corriente es
muy pequeña y la
tensión es muy elevado;
así, la disipación de
potencia es también
pequeña en este estado.
PROCOBRE - PERU
Distorsión de tensión provocada
por la carga no lineal
PROCOBRE - PERU
CARGAS NO LINEALES
PROCOBRE - PERU
Tipos De Cargas No Lineales
l
l
l
Circuitos
magnéticos:
Transformadores,
motores.
Elementos de plasma: Lámparas de descarga,
soldadura de arco, hornos de inducción.
Semiconductores:
Las
grandes
fuentes
armónicas
son
los
rectificadores
con
conmutación
natural;
accionamiento
de
corriente continua, convertidores de frecuencia
con circuito intermedio de continua, sistemas
de alimentación permanente(UPS), etc.
PROCOBRE - PERU
l
Cargas No Lineales
simétricas
La mayor parte de las cargas conectadas a la
red son, sin embargo, simétricas, es decir, que
las dos semiondas de corriente son iguales y
opuestas.
f ( wt + π ) = − f ( wt )
PROCOBRE - PERU
Cargas No Lineales
Rectificadores
h = np ± 1
I
Ih =
h
Donde:
h: orden de armónico generado
p: numero de pulsos del rectificador
n: numero entero positivo ( 1,2,3,4,5…)
Ih: magnitud de la corriente armónica.
Ejemplo:
Rectificadores de dos pulsos:
P=2 , h=3,5,7,9,11,13,15,17,19..
Computadoras, equipos de telecomunicación, equipos de
radiodifusión en general.
PROCOBRE - PERU
Ejemplo del espectro de armónicos de
las corrientes absorbidas por las
cargas no lineales
1: Regulador de luz o de temperatura
PROCOBRE - PERU
PROCOBRE - PERU
Armónico de corriente en
función al tipo de televisor
(Amperio)
h
B y N, Tubo
B y N, Transistor
3
5
7
9
11
15
0,53
0,31
0,13
0,055
0,045
0,03
0,32
0,25
0,15
0,08
0,04
0,03
COLOR puente de COLOR tiristor
diodos
0,73
0,82
0,59
0,66
0,43
0,34
0,27
0,14
0,15
0,09
0,045
0,04
PROCOBRE - PERU
PROCOBRE - PERU
PROCOBRE - PERU
PROCOBRE - PERU
Contenido de armónicos de la
corriente de magnetización para el
acero al silicio
PROCOBRE - PERU
Cargas No Lineales
PROCOBRE - PERU
Sistemas monofásicos
3° Armonico
•* La 1º armonica (fundamental)
* La 1º armónica o fundamental ( 60 Hz )
l
* La componente de 3º armónica ( 180 Hz ) .
PROCOBRE - PERU
Sistemas monofásicos
Puls
o
•
1°
Arm.
3°
Arm.
Sumando las dos señales sinusoidales, se llega a una
“semionda No sinusoidal” que se representa en la fig.
PROCOBRE - PERU
Sistemas monofásicos
Rectificador monofásico con filtro capacitivo
Grafica de la corriente absorbida
Espectro de armónicos
Aparatos que tienen rectificador monofásico
con filtro capacitivo
PROCOBRE - PERU
SISTEMAS TRIFASICOS
En un sistema trifásico:
Las tensiones por fase se encuentran desfasadas en 120º.
Se demuestra matemáticamente que con cargas
trifasicas Lineales, equilibradas en una conexión estrella
la corriente por el neutro es cero.
I
R
∑
= 1 +
I
=
j 0 ; I
S
=
− 0 .5 −
j 0 .8 6 ; I
T
=
− 0 .5 +
j 0 .8 6
0
Luego la protección de sobrecarga de los conductores de
fase, también protegerá al conductor neutro.
PROCOBRE - PERU
SISTEMAS TRIFASICOS
A
B
C
PROCOBRE - PERU
SISTEMAS TRIFASICOS
l
* Cuando aparece una componente de tercer
armónico en cada una de las fases, podemos
observar que esta, se encuentra en fase en cada
una de las líneas.
En fase
3° Arm.
PROCOBRE - PERU
SISTEMAS TRIFASICOS
l
Las corrientes armónicas se suman en el neutro y en
vez de anularse, pueden originar, corrientes a través
del neutro, de mayor magnitud a la fases.
IN
PROCOBRE - PERU
Cálculo del valor eficaz de
la corriente de neutro
l
El valor eficaz de la corriente
neutro puede calcularse para
intervalo igual a T/3.
de
un
Por tanto, la corriente en el
conductor neutro tiene aquí
un valor eficaz 1,73 veces
superior a la corriente en una
fase.
La solución que normalmente
se utiliza es instalar un
conductor de neutro de
sección doble de la del
conductor de fase.
PROCOBRE - PERU
SISTEMAS TRIFASICOS
l
l
l
Las protecciones de sobrecarga de las fases, no
resultan ser efectivas para el neutro.
Estas corrientes
armónicas producirán
disipación de calor a través de los conductores
neutros.
Incrementaran las pérdidas de energía, caídas
de tensión y sobrecargas en los equipos de
potencias
(Tableros,
Protecciones,
Transformadores, etc.)
PROCOBRE - PERU
DISTORSIÓN EN LA FORMA DE
LA SEÑAL DE TENSIÓN
*
Efecto de la caída de tensión, sobre
V Carga
CONSUMO LINEAL
l
Se asume un 10%de caída de tensión en los
conductores de la instalación.
l
Sin Armónicas de 3º y 5º orden, presentes en la
señal de corriente.
PROCOBRE - PERU
CONSUMO LINEAL
VF
VC
PROCOBRE - PERU
DISTORSIÓN EN LA FORMA DE
LA SEÑAL DE TENSIÓN
*
Efecto de la caída de tensión, sobre
V Carga
COSUMO NO LINEAL
l
Se asume un 10% de caída de tensión en los
conductores de la instalación
l
Consumo No lineal
l
Armónicas de 3º y 5º orden, presentes en la señal de
corriente.
PROCOBRE - PERU
CONSUMO NO LINEAL
VF
VC
PROCOBRE - PERU
DISTORSIÓN EN LA FORMA DE
LA SEÑAL DE TENSIÓN
*
Efecto de la caída de tensión , sobre
V Carga
COSUMO NO LINEAL
l
Se asume un 2% de caída de tensión en los
conductores de la instalación
l
Consumo No lineal
l
Armónicas de 3º y 5º orden, presentes en la señal de
corriente.
PROCOBRE - PERU
CONSUMO NO LINEAL
VF
VC
PROCOBRE - PERU
CLASIFICACIÓN DE LOS ARMONICOS
l
En conclusión TIENEN:Nombre,Frecuencia y
secuencia
NOMBRE
F 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º
FRECUENCIA 60 120 180 240 300 360 420 480 540
SECUENCIA
+ - 0 + 0 + - 0
*Los Armónicos desaparecen cuando son simétricos
Secuencia
Rotación
Efecto En Motores
Positiva
Negativa
Cero
Directa(RST) Crea un CM de rot directa
Inversa(RTS) Crea un CM de rot. Inversa
Ninguna
Ninguno
Efectos En El Sistema
Calentamiento
Calentamiento
Calentamiento
Crea una corriente en
el neutro (TRIPLENS)
PROCOBRE - PERU
Efecto de los armónicos
en la instalación eléctrica
Las instalaciones eléctricas industriales se ven
afectados por las corrientes y tensiones
armónicas así como existe influencia en equipos
de medición control y protección.
PROCOBRE - PERU
Efecto de los armónicos en la
instalación eléctrica
Efecto en motores :
l
l
l
Funcionamiento
irregular
en
Máquinas
Eléctricas
incrementandose las pérdidas por
calentamiento
en
el
núcleo
(histéresis y corrientes parásitas).
Bajo torque de partida, en
Motores de gran potencia.
El
flujo
de
las
corrientes
armónicas de secuencia negativa:
5th,11th etc, producen frenado en
los motores AC creando vibración
e inestabilidad mecánica.
PROCOBRE - PERU
Efecto de los armónicos en la
instalación eléctrica
Efecto en grupos
electrógenos :
l
Los generadores al ser
dimensionados para la carga
son muy susceptibles de
calentamientos
por
la
presencia de armónicos por
lo
que
deben
sobredimensionados.
Efecto en tableros
l
l
Éstos son diseñados para
la frecuencia fundamental, y
pueden
presentar
resonancia
mecánica
debido
a
campos
magnéticos producidos por
las corrientes armónicas.
y empieza a vibrar a
frecuencias
superiores,
frecuencia
de
los
armónicos.
PROCOBRE - PERU
Efecto de los armónicos
Efecto en conductores
Las corrientes armónicas producen perdidas en los
conductores debido a:
• Perdidas por efecto joule.
• Perdidas por efecto pelicular.
• Perdidas por efecto de proximidad
entre cables, debido a
las corrientes parásitas entre
cables próximos entre sí.
PROCOBRE - PERU
Efecto de los armónicos
Efecto en conductores
Sin Armónicos la corriente por el neutro es aproximadamente
igual a cero.
Con Armónicos,en redes de cuatro hilos en el neutro se suman
los Armónicos TRIPLENS
El neutro al no tener protección por sobre corriente puede
originar incendio.
La CBEMA recomienda que el neutro sea el doble de sección
de los conductores de fase, para alimentadores de cargas no
lineales.
ARMÓNICOS TRIPLENS: Extraños múltiplos impares de
la tercera Armónica.( 9º,15º,21º etc.. )
PROCOBRE - PERU
Efecto en interruptores automáticos
• Los elementos térmicos que
están diseñados para sobrecarga
actúan debido al incremento de la
corriente armónica.
• Los interruptores electrónicos
detectores de picos reaccionan
ante los picos de la onda de
corriente armónica.
Efecto en telecomunicaciones
• Las corrientes armónicas causan
interferencia
en
equipos
telefónicos, por estar las armónicas
cercanas a las frecuencias de
telefonía.
PROCOBRE - PERU
Efecto en equipos de medición
• Las lecturas erróneas de los contadores
de energía calibrados para potencia
senoidal pura
• En contadores de inducción presentan
mayor consumo, por ejemplo un contador
clase 2 dará un error suplementario de
0,3% con una tasa del 5% para el 5to
armónico de I y U.
PROCOBRE - PERU
Efecto en transformadores
• Los transformadores estándares están
diseñados para operar a frecuencia 60
HZ. Por lo que no trabajan en la
presencia de armónicos.
•Las terceras armónicas crean perdidas
en el hierro del núcleo, debido a las
corrientes parásitas y causan saturación
del núcleo.
•Todo ello conlleva a temperaturas altas,
degradación
del
aislamiento
y
disminución de la vida util.
•Por lo que es necesario ante la
presencia de armónicos descalificarlo.
PROCOBRE - PERU
Efecto en transformadores
Se refleja la corriente Armónica TRIPLENS en el primario
del transformador y origina calentamiento en el núcleo.
IR
IS
IN
IN
IT
PRIMARIO 10kV
SECUNDARIO 220 V
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
• Se origina incremento de la
corriente en los capacitores por la
presencia de armónicos , debido a
que la corriente y la frecuencia en un
condensador
son
directamente
proporcionales.
•Estas corrientes altas destruyen
fusibles, interruptores y al mismo
capacitor y erróneamente los fusibles
son reemplazados por uno de mayor
capacidad, sin revisar el problema de
fondo.
U
Ic =
= U .2.Π. f .C
Xc
1
Xc =
2.Π. f .C
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
• La presencia de distorsión de la
onda de tensión, origina perdidas
adicionales en los condensadores
perdidas = ∑ n=1 C. tan δ .WnVn2
∞
tan δ = WRC es el factor de perdidas
Wn = 2Πf n
Vn = valor eficaz de la tensión armonica n.
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
• La potencia reactiva de diseño
incluyendo la fundamental y la de los
armónicos no debe exceder la
potencia reactiva nominal, se calcula
según:
Q D = ∑n =1 Qn
∞
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
•
La existencia de resonancia
serie o paralelo, pueden causar
sobre
tensiones
y
sobre
intensidades
que
aumenta
considerablemente las perdidas
y sobrecalentamiento de los
condensadores.
En el diseño del condensador
hay que tener en cuenta toda las
posibilidades de resonancia en
la red.
Z
Zth
Zinst
Z
•
Uth
h0 =
S cc
Sbco
f res = ho × f red
Xc
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
VARPLUS
LA SEGURIDAD HQ - COMPONENTES
terminales
fusible interno
disco metálico
membrana de
sobrepresión
resina
envolvente
de plástico
bobina
eje hueco
el sistema HQ
... componentes
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
VARPLUS
ACTUACION DEL SISTEMA HQ (III)
n el dieléctrico
pierde su propiedad
autocicatrizante
el sistema HQ:
la membrana de presión
presión esperada en el interior
o la presión de los
gases aumenta
paulatinamente y se
transmite hasta la
membrana.
Id >
Id
Po
Id <
Pm
tiempo
Po = presión límite soportada
por el bote
Pm= presión de tarado de la
membrana
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
VARPLUS
ACTUACION DEL SISTEMA HQ (IV)
o la membrana cede
o el disco metálico
solidario
cortocircuita los
bornes a través del
fusible.
o el condensador
deteriorado queda
fuera de servicio
el sistema HQ:
la membrana depresión
presión esperada en el interior
Id >
Id
Id <
Po
Pm
ATENCION:
ACTUACION ÓPTIMA
SOLO PARA Id <<
tiempo
Po = presión límite soportada
por el bote
Pm = presión mínima de tarado
de la membrana
PROCOBRE - PERU
Efecto en capacitores
VARPLUS
ACTUACION DEL SISTEMA HQ (V)
el sistema HQ:
el fusible interno
o el fusible funde
para valores de
Id > Ifusión
presión esperada en el interior
Id >
Id
Id = If
Po
ATENCION:
ACTUACION ÓPTIMA
SOLO PARA I d >>
tiempo
Po = presión límite soportada
por el bote
Valores de P para I fusión
PROCOBRE - PERU
Efecto en equipos de Protección
Los
armónicos
pueden
afectar
el
funcionamiento de los relees de
protección, dependiendo de su diseño y
principio
de
funcionamiento.
La
presencia
de
armónicos
afecta,
especialmente, a sistemas de protección
digitales basados en muestreo de
información y en los cruces por cero de
las señales de tensión o corriente.
REL 561
TX
C
E
STATUSTARGETS
A XX XXXXX XX
B XX XX XXXXX
C XXXXXX
N XXXX XXXX
RSTX XXXXXXX
C
E
PROCOBRE - PERU
Efecto en equipos de Protección
En la actualidad no existen normas con
indicación de los niveles de armónicos
que deben soportar los relees, fusibles y
disyuntores.
La respuesta de relees a señales
distorsionadas varia, incluso, entre
unidades de idénticas características
nominales de distintos fabricantes o de
distintos lotes de fabricación.
PROCOBRE - PERU
Encontrando Armónicos
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Medir corriente en cada línea(pinza normal)I1
Medir corriente en cada línea(pinza verdadero valor
eficaz ) I2
Divida I1/I2 si es =1 no hay armónicos
si es =0.5 hay armónico considerable
Analice la situación :INVENTARIO DE CARGAS,
Verificando si hay cargas no lineales.
Comprobar calentamiento de Transformadores.
Medir en el secundario del transformador; V y I y
determine su potencia S=1.73*VI si es menor a la
nominal y se calienta hay armónicos
PROCOBRE - PERU
ENCONTRANDO ARMÓNICOS
l
l
MIDA La corriente del neutro y comparar con las otras fases (se
permite 10% de desequilibrio)
MIDA la frecuencia de la corriente del neutro si es 180Hz hay 3º
armónica
l
COMPROBAR CORRIENTE EN LOS SUB
PANELES :verificando calentamiento de Barra colectora
l
COMPROBACIÓN DE LA TENSIÓN
ENTRE NEUTRO Y TIERRA :Esta
tensión debe ser menor o igual a 2v.
PROCOBRE - PERU
SOLUCIONANDO EL PROBLEMA
l
l
l
SOBRECARGA EN NEUTROS: Balancear cargas entre
fases aumentar neutros (neutros individuales), Instalar filtros
en la carga.
REDUCCION DE LA CARGA DEL TRANSFORMADOR:
Proteger a los transformadores limitando su capacidad,
calculando el Factor de Distorsión Total (THDF)
KVA(corregido)=THDF*KVA(placa)
THDF=1.4142*Ief(promedio)/Irms(promedio)
Relación de potencia:
L nl
∑
DONDE;
≤ 0 .2
RP =
Lni=carga no lineal
∑ LT
Lt =carga total
PROCOBRE - PERU
EJEMPLO:Se tiene un transformado 500kVA, 10/0.23 KV
Dy5 se obtiene las siguientes mediciones.
Fase
R
S
T
Ief (A)
900
905
600
Irms(A)
1700
1800
1600
Calcular la nueva
potencia del
transformador.
10kV
Dy5
SOLUCIÓN:
Ief(prom.) =801.6A
Irms(prom.)=1700A
THDF=1.4142*801.6/1700=66.7%
KVA (corregido)=0.667*500=333.5kVA
A
0.23kV
PROCOBRE - PERU
Factor K, en función del orden de
armónico medido:
K=
10kV
1
n =∞
1 + 0,1∑ H n2 n1, 6
Dy5
n=2
Hn =
In
I1
A
0.23kV
Calcular el factor K de un transformador si:
H5=25% ; H7=14% ; H11=9% ; H13=8%
K= ?
K=
[
1
1 + (0,25) (5)
2
1, 6
+ (0,14 ) (7)
S nk = 500 × 0,9128 = 456 KVA
2
1, 6
+ (0,09) (11)
2
1, 6
+ (0,08) (13)
2
1, 6
]
= 0,9128
PROCOBRE - PERU
Medición
de ARMONICOS
UTILILIZAR
INSTRUMENTOS
DE MONITOREO
INTEGRALES Y
MULTIFUNCION
PROCOBRE - PERU
Selección de equipos
1.
Fácil traslado y permitir almacenamiento de
la información en memoria no volátil mínimo
por un tiempo de 2 periodos de medición,
sin descargas parciales.
2.
Deberán ser adecuados a la norma de
seguridad eléctrica
3.
Deben asegurar la inviolabilidad de los datos
de programación y registro.
4.
Deben de disponer de interfase óptica, serial
o paralela para computadora y posibilidad de
exportación en formato ASCII.
5.
Los valores representativos deben ser
obtenidos por post procesamiento mediante
software externo.
6.
La clase de precisión de los TP y TC en
conjunto con el equipo debe ser similar al
usado en la facturación comercial.
PROCOBRE - PERU
Selección de equipos
1. Los equipos de medición y registro deben tener :
Certificación de organismos y/o entidades
competentes y sus especificaciones técnicas
deben ser aprobadas por OSINERG con
anterioridad a su uso.(DS No 13-2000- EM)
2. Certificación de los siguientes ensayos tipo según
normas IEC. (Base Metodológica 09-09-00)
•
Ensayos de aislamiento
•
Ensayos de compatibilidad electromagnética
•
Ensayos climáticos
•
Ensayos mecánicos
•
Ensayos de clase de precisión.
O.K.
PROCOBRE - PERU
Mediciones estratégicas
simultaneas
Tiempo
9/25/1999 14:45
9/25/1999 9:45
9/25/1999 4:45
9/24/1999 23:45
9/24/1999 18:45
9/24/1999 13:45
200
9/24/1999 8:45
205
9/24/1999 3:45
TENSION MAXIMA (L1,L2,L3)
9/23/1999 22:45
9/23/1999 17:45
9/23/1999 12:45
9/23/1999 7:45
9/23/1999 2:45
9/22/1999 21:45
9/22/1999 16:45
9/22/1999 11:45
9/22/1999 6:45
9/22/1999 1:45
9/21/1999 20:45
9/21/1999 15:45
9/21/1999 10:45
9/21/1999 5:45
9/21/1999 0:45
9/20/1999 19:45
9/20/1999 14:45
9/20/1999 9:45
9/20/1999 4:45
9/19/1999 23:45
9/19/1999 18:45
9/19/1999 13:45
9/19/1999 8:45
9/19/1999 3:45
9/18/1999 22:45
9/18/1999 17:45
Voltios
PROCOBRE - PERU
Resultado de mediciones de campo
EMAPE_220V
235
230
225
220
215
210
TENSION MAXIMA (L1,L2,L3)
TOLERANCIA MAXIMA
TENSION DE CONTRATO
TOLERANCIA MINIMA
195
Tiempo
01/02/2000 10:10
01/02/2000 05:40
01/02/2000 01:10
31/01/2000 20:40
31/01/2000 16:10
31/01/2000 11:40
31/01/2000 07:10
31/01/2000 02:40
30/01/2000 22:10
30/01/2000 17:40
30/01/2000 13:10
30/01/2000 08:40
30/01/2000 04:10
29/01/2000 23:40
29/01/2000 19:10
29/01/2000 14:40
29/01/2000 10:10
29/01/2000 05:40
29/01/2000 01:10
28/01/2000 20:40
28/01/2000 16:10
28/01/2000 11:40
28/01/2000 07:10
28/01/2000 02:40
27/01/2000 22:10
27/01/2000 17:40
27/01/2000 13:10
27/01/2000 08:40
27/01/2000 04:10
26/01/2000 23:40
26/01/2000 19:10
26/01/2000 14:40
26/01/2000 10:10
26/01/2000 05:40
26/01/2000 01:10
25/01/2000 20:40
25/01/2000 16:10
25/01/2000 11:40
Pst
PROCOBRE - PERU
Resultado de mediciones de
campo
INDICE DE SEVERIDAD POR FLICKER
CIRCUITO TOTALIZADOR
7.00
Pst LIMITE 1
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
Tiempo
01/02/2000 08:40
01/02/2000 05:00
01/02/2000 01:20
31/01/2000 21:40
31/01/2000 18:00
31/01/2000 14:20
31/01/2000 10:40
31/01/2000 07:00
31/01/2000 03:20
30/01/2000 23:40
30/01/2000 20:00
30/01/2000 16:20
30/01/2000 12:40
30/01/2000 09:00
30/01/2000 05:20
30/01/2000 01:40
29/01/2000 22:00
29/01/2000 18:20
29/01/2000 14:40
29/01/2000 11:00
29/01/2000 07:20
29/01/2000 03:40
29/01/2000 00:00
28/01/2000 20:20
28/01/2000 16:40
28/01/2000 13:00
28/01/2000 09:20
28/01/2000 05:40
28/01/2000 02:00
27/01/2000 22:20
27/01/2000 18:40
27/01/2000 15:00
27/01/2000 11:20
27/01/2000 07:40
27/01/2000 04:00
27/01/2000 00:20
26/01/2000 20:40
26/01/2000 17:00
3.50
26/01/2000 13:20
26/01/2000 09:40
26/01/2000 06:00
26/01/2000 02:20
25/01/2000 22:40
25/01/2000 19:00
25/01/2000 15:20
25/01/2000 11:40
Vi (%)
PROCOBRE - PERU
Resultado de mediciones de
campo
TENSIONES ARMONICAS MAXIMAS
CIRCUITO TOTALIZADOR
4.00
V3 (5.0%)
V5 (6.0%)
V7 (5.0%)
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
Tiempo
1/2/00 7:40
1/2/00 3:40
31/1/00 23:40
31/1/00 19:40
31/1/00 15:40
31/1/00 11:40
31/1/00 7:40
31/1/00 3:40
30/1/00 23:40
30/1/00 19:40
30/1/00 15:40
30/1/00 11:40
30/1/00 7:40
30/1/00 3:40
29/1/00 23:40
29/1/00 19:40
29/1/00 15:40
29/1/00 11:40
29/1/00 7:40
29/1/00 3:40
28/1/00 23:40
28/1/00 19:40
28/1/00 15:40
28/1/00 11:40
28/1/00 7:40
28/1/00 3:40
27/1/00 23:40
27/1/00 19:40
27/1/00 15:40
27/1/00 11:40
27/1/00 7:40
27/1/00 3:40
26/1/00 23:40
26/1/00 19:40
3.50
26/1/00 15:40
26/1/00 11:40
26/1/00 7:40
26/1/00 3:40
25/1/00 23:40
25/1/00 19:40
25/1/00 15:40
25/1/00 11:40
THD [%]
PROCOBRE - PERU
Resultado de mediciones de
campo
FACTOR DE DISTORSION TOTAL POR TENSIONES ARMONICAS
CIRCUITO TOTALIZADOR
4.00
THD LIMITE 8%
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
PROCOBRE - PERU
1.
METODOS PARA LA EVALUACION
DEDIRECCIONALIDAD DE ARMONICAS
METODO DEL ANGULO ELECTRICO
Se entiende por direccionalidad al análisis de definir de donde
provienen las armónicas.
PROCOBRE - PERU
Para la aplicación del método expuesto se requiere
efectuar mediciones de valores instantáneos de la
armónicas de tensión y corriente en magnitud y en
ángulo de Desfasaje.
PROCOBRE - PERU
2. METODO DE Polaridad de la
impedancia armónica
•
La impedancia armónica(+) >/= a
CERO La carga recibe energía armónica
• La impedancia armónica (-)< a CERO la
carga inyecta al sistema.
• Solo
valido
Para
armónicas
significativas.
Vh
Z h = cos( Θ vh − Θ ih )
Ih
Flicker
Definición :Son molestias visuales producidas en un usuario debido a
fluctuaciones en la iluminación
ORIGEN:
Cambios rápidos
de
carga
producidos
por
equipos tales como Hornos de
arco ,maquinas de soldadura y
conexión-desconexión
de
grandes cargas.
Estas
fluctuaciones
,
y
sus
correspondientes
variaciones
de corriente, son responsables
de cambios en la Tensión.
Técnicas De Medición
Se evalúa el parpadeo a partir de un modelo del sistema
LAMPARA-OJO-CEREBRO debido que a un cambio
de iluminación corresponde un cambio en el valor eficaz
de la tensión de línea (norma IEC-868-1986)
Se observa : SENSIBILIDAD
vs FRECUENCIA Tiene un
comportamiento no lineal:
Para frecuencias < a 2 Hz es
independiente de tensión y
frecuencia ,Sensibilidad máximo
para 9
Hz y decrece para
mayores a 12 Hz
CURVA DE SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO
%
1
2
10
30
100
200
1
2
3 4
5
FRECUENCIA EN Hz
10
30
40
50
Perceptibilidad de flicker
Máxima amplitud tolerable de las variaciones de tensión Vs
variaciones de la frecuencia. Pst< = 1(MAT, AT,MT y BT)
≤
Límites de percepción de efecto flicker en lámparas incandescentes
Evaluación del flicker
Índice de severidad por Flícker de corta duración
(Pst para 10 minutos)
Pst =
∑
ai ⋅ P ft
i
P ft = % de flicker a la frecuencia
ai =
i
coeficiente de Pst =1 a la frecuencia i
# de componentes
Tolerancias: máximo </= 1(en MAT, AT,MT y BT)
umbral de irritabilidad
Visualización de Pst y Plt de flicker
Limites de flicker según IEC 868 1000-3-7
Pst
Standard
1
0.5
0
95%
100%
50%
Cumulative probability of values
IEC 868, IEC 1000-3-7
recommendations:
Pst max
Plt max
AT
0.8
0.6
0%
MT
1
0.8
BT
1
0.8
PROCOBRE - PERU
Metodología para
determinar direccionalidad
del Flicker
Este
método
consiste
en
determinar la curva característica
del Flicker
y la curva de la
demanda para un mismo período
de medición.
Para el análisis existen dos casos:
PROCOBRE - PERU
Si la carga es fuente generadora de Flicker
entonces la curva del Flicker y la demanda tienen
el mismo comportamiento, ver figura
6
DEMANDA
5
4
FLICKER
3
2
1
0
PROCOBRE - PERU
Si la carga no genera Flicker entonces la curva del Flicker y la
demanda tienen diferente comportamiento, lo que indica que el Flicker
provine del sistema, ver gráfico
5.00
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
DEMANDA
FLICKER
PROCOBRE - PERU
Solucionando
Armónicos
PROCOBRE - PERU
SOLUCION AL PROBLEMA DE LA
CALIDAD DE LA ENERGIA
Podemos asegurar como el control de la caída de tensión a través
del DIMENSIONAMIENTO DE LOS CONDUCTORES
puede llevar a minimizas los efectos originados por los
consumos no lineales en la calidad de la señal de alimentación
a los equipos.
Soluciones a corto plazo:
* Reguladores de tensión.
* Usos de transformadores de Aislamiento.
* Uso de condensadores.
PROCOBRE - PERU
SOLUCION AL PROBLEMA DE
LA CALIDAD DE LA ENERGIA
Soluciones a largo plazo:
l
l
l
l
Reducción al mínimo la longitud de los circuitos.
Aumentar el DIMENSIONAMIENTO DE LOS
CONDUCTORES..
Aumento de la cantidad de circuitos finales
El principio general es diseñar el sistema para que se ajuste
a los perfiles de carga previsto.
Normas de referencia
CURVAS DE TOLERANCIA
Eventos registrados vs. Tolerancia
ANSI, CBEMA,ITIC
ESPECIFICACIONES INDUSTRIALES
IEEE-1159-519 (USA)
IEC-61000-4-15,61000-4-7
EN-50160 (UE)
NTCSE (PERU)
NCSPS (ARGENTINA)
CURVAS DE TOLERANCIA
Eventos registrados vs. Tolerancia
ANSI, CBEMA,ITIC
Normatividad Vigente
Standar IEEE-1159-519
La norma en referencia
siguientes limites:
contempla
• Limites de armónicos de corriente
individuales y distorsión total.
• Relación Isc/IL en el PAC
• Máxima distorsión dela tensión
individual y total.
los
Standar IEEE-519
Limites de armónicos de corriente (%) IEEE Std. 519
Isc/ILoad
Orden de armónicos
< 11
4,0
7,0
10,0
12,0
15,0
11 a 16
2,0
3,5
4,5
5,5
7,0
17 a 22
1,5
2,5
4,0
5,0
6,0
23 a 24
0,6
1,0
1,5
2,0
2,5
THD
> 35
0,3
0,5
0,7
1,0
1,4
< 20
5,0
20 - 50
8,0
50 - 100
12,0
100 - 1000
15,0
> 1000
20,0
Donde:
Isc=Corriente máxima de cortocircuito en el PAC
IL =Corriente de carga en demanda máxima a la frecuencia fundamental en el PAC
THD=Distorsión total de armónicos
Standar IEEE-519
1/ 2
 I

 x100%
THD = ∑ 
h = 2  I Ldemanda 
2
h
H
Distorsión Máxima de Tensión
Distorsión Máxima
(%)
Tensión del Sistema
< 69 kV
69 - 138 kV > 138 kV
Armónicos Individuales 3,0
Armónicos Totales
5,0
1,5
2,5
1,0
1,5
Norma Técnica de Calidad de los
Servicios Eléctricos-NTCSE
Base legal :
•
Decreto Supremo No 020-97-EM del 09 de
octubre de 1997.
•
Primera modificación: Decreto Supremo
No 009-99-EM del 10 de abril de 1999.
•
Segunda modificación: Decreto Supremo
No 013-00-EM del 27 de julio de 2000.
•
Tercera modificación: Decreto supremo
No 040-2001-EM del 17 de julio de 2001
TENSIÓN
CALIDAD DEL
PRODUCTO
FRECUENCIA
PERTURBACIONES
CALIDAD DEL
SUMINISTRO
INTERRUPCIONES
NTCSE
TRATO AL CLIENTE
CALIDAD DEL
SERV. COMERCIAL
MEDIOS DE ATENCIÓN
PRECISIÓN DE MEDIDA
CALIDAD DEL
ALUMBRADO PUB.
DEFICIENCIAS
PROCOBRE - PERU
Direcciones web de
interés
• www.mem.gob.pe/nuevo/legal/elec
•www.schneiderelectric.es
•www.inet.cl/cpe/armon
•www.transcoil.com
•www.reliablemeters.com
•www.powerqualityinc.com
lsayas@tecsup.edu.pe cel: 01-9009096
PROCOBRE - PERU
Muchas gracias…..
Por favor aplaudir muy
fuerte…………….
PROCOBRE - PERU